基于虚拟仿真技术的矿山工程测量精度分析系统设计

涂丽霞

（江西省中旭国土勘测规划有限责任公司，江西 南昌 330000）

虚拟仿真技术（Virtual Simulation）是最近兴起的一种较为新奇的技术手段，也可以简称为仿真技术。Virtual：采用先进的科学技术构建出虚拟场景，Simulation：在三维空间中构建逼真的三维模型，通过在三维模型中试验、演出和操控，完成一些现实中难以实现的技术。当然，这些都必须建立在理论真实的基础上，就像现在比较流行的AR技术也是依据现实构建的虚拟模型，不同的是，AR技术是可以将现实的场景与虚拟的模型相折叠，真实感更强，但是价格也更加昂贵，不利于工程测量的开发成本，因此将仿真技术和虚拟技术相结合，得到的虚拟仿真技术，即拥有虚拟模型，成本也相对较低，用于矿山工程测量精度分析系统中，有助于更精准地测量误差[1]。

1 硬件设计

1.1 遥感测量仪

矿山地形崎岖，空间较大，用普通测量仪耗时耗力，得不偿失。因此需要设计一款遥感测量仪，该遥感测量仪拥有测量范围广、地形图像获取速度快、测量时间短等特点，可以用来测量矿区的地形和地质结构。并且遥感测量仪会实现与外部环境结合的功能，从宏观角度对矿区进行实时监测，获取矿区大面积的沉降和地表高程信息。烟感测量仪可以利用IKOS卫星图像，生成1:10000幅矿山地形图，同时对地形图进行分析，得出与实际测量一致的结论，证明遥感测量仪的使用可满足矿山工程测量的精度要求[2]。

1.2 全站仪

现目前，应用最广泛的矿山测量设备是经纬仪，但是经纬仪的操作较为复杂，信号不稳定，不能实时测量矿山工程，且测量精度较差，实用性较低，因此，全站仪的设计势在必行，全站仪的设计需要同时测量矿山的高度信息和三维信息，可以完成露天矿山的精度测量和仿真测量工作。在小范围的矿山测量上，可以用小型全站仪，方便携带，且效果相同，减少矿山工程测量的误差。在大范围的矿山测量方面，可以使用仿真全站仪，利用比例尺，还原一个小型矿山，在测量精度方面，更具有说服力。同时，由于全站仪的连续移动性，使测量方式更为准确，提高了精度。比传统的经纬仪更具有实用价值。

2 软件设计

2.1 采集矿山工程测量数据

矿山数据是矿山工程的主要内容，采集人员需要打开遥感测量仪，连接矿山与卫星，并打开接收器，建立卫星与接收器的通讯联系，最终启动测量软件，对遥感测量仪进行设置[3]。由于矿区多山，并且测量过程中高度与方向都不同，所以在测量过程中，需要设置参考点，且利用全站仪满足高度测量要求，最大程度地消除矿山工程测量的误差。在此次采集数据的过程中，选取了矿山中的四个参考点，来完成遥感测量仪中的坐标变换。

2.2 绘制矿山工程测量地形图

通过上文采集到的矿山工程测量数据后，基本可以了解矿山的大致测量地形，以参考点1（G1）、参考点2（G2）、参考点3（G3）、参考点4（G4）为主要测量区域，并根据校正后的参考点精度测量数据，得出真正的测量距离。根据遥感测量仪与全站仪的数据，可以推测在矿山外围是岩浆岩，然后是沉积岩，其次是变质岩，最后是矿心位置，每一个岩石的距离约为20Km，所以在矿山测量过程中，越往内部测量越难，精度也较差，所以G1、G2、G3、G4的参考点在矿心外围，具体矿山地形图如图1所示：

图1 矿山测量地形图

如图1所示，矿心的外围区域，有参考点1、2、3、4，还有矿山断层，以及休息区，是矿山工程测量的主要位置。再往内部是沉积岩、变质岩以及矿心的位置，超出了20Km，在全站仪和遥感测量仪的测量范围之外。

2.3 基于虚拟仿真技术消除测量误差

在不超过矿山线的情况下，矿山测量的精度均在精度要求内，但是测量误差仍然存在，但是真实条件下的误差消除较为困难，因此虚拟仿真技术的应用势在必行，因为虚拟仿真技术拥有浸入性，在虚拟环境中，测量技术人员可以充分利用各种适用的仪器，测量在理想状态下的虚拟仿真矿山工程测量精度分析系统，可以测量出的信息。除此之外，虚拟仿真技术具有虚幻特征，因为虚拟仿真技术不是一个实际的实体，而是借助相关科学技术构建的环境。除此之外，测量精度误差还来源于光学变化、位置变化、时间变化，以及空间变化，其中光学变化分为三种形式，横向光改变、纵向光改变。测量误差均可以利用虚拟仿真技术消除，并且以下误差均在虚拟环境中消除，其中横向光改变是由于遥感测量仪的遥感镜不完善导致的，消除误差公式如下：

式（2）中，p1、p2为遥感镜的纵向光改变参数。位置变化的误差可以通过以下公式消除：

式（3）中，α、β为遥感镜变化的修正系数。减小测量误差的修正总和以公式的形式表示为：

上述光改变参数是通过专业校正软件得出的，结合上述公式在虚拟仿真技术的应用，消除矿山工程测量的误差。

3 矿山工程测量精度分析

3.1 精度分析准备

矿山工程测量精度分析系统利用全站仪来采集数据，并根据虚拟仿真技术消除误差，此外，基于地形图转换矿山的直角坐标（X，Y，Z），具体转换公式为：

式中，Δ代表（X，Y，Z）各坐标上的转换量，k是精度参数，R是转换参数。当精度参数达到预期值后，经计算的结果用于矿山工程精度分析中，保证矿山工程测量的精度。

3.2 精度分析结果

在保证矿山工程的测量精度的前提条件下，本文选择了矿山周围的六个测量点进行验证，以矿山为圆心，半径不超过20km为基准，同时保证六个测量点的平均长度为2.6km，分三个时间段测量，得到的测量精度如表1所示：

表1 个测量点的误差统计情况

如表1示，01-06个测量点距离矿山由近及远，测量点距离矿山越近，测量误差越小，反之就越大，而边缘点均超过20km的标准，所以误差较大，且不稳定，所以只要矿山工程测量在20km以内，就符合测量要求，具有较高的使用价值。

4 结语

随着虚拟仿真技术的发展，仿真资源的不断丰富，如何充分利用虚拟仿真技术成为研究主题。本文通过设计基于虚拟仿真技术的矿山精度测量系统，设计了遥感测量仪和全站仪等硬件，并对软件同时设计，以采集数据为主，绘制地形图为辅，为消除测量误差作铺垫，并对该系统作出精度分析实验，得出本文设计的系统在测量误差方面符合要求的结论。为矿山工程精度测量提供一个研究方向。